溶解熱測量實驗軟件設(shè)計

鄭傳明

(北京理工大學理學院 北京 100081)

溶解熱測量實驗是大學物理化學實驗中的一個經(jīng)典實驗[1]。在溶劑中分次加入溶質(zhì)，分別測出熱效應，根據(jù)各次熱效應總和計算各濃度下的積分溶解熱。制作Qs-n0圖(圖1)，根據(jù)曲線特定點的切線斜率計算該濃度溶液的微分稀釋熱;根據(jù)切線在縱坐標上的截距，計算該濃度溶液的微分溶解熱;兩濃度的積分溶解熱之差為積分稀釋熱。實驗裝置如圖2所示。市售儀器自帶的測量軟件通常強調(diào)高度智能化，數(shù)據(jù)采集與計算結(jié)果由測量軟件自動完成，學生只需分次在溶劑中添加溶質(zhì)，即可得到打印的實驗結(jié)果。在教學中發(fā)現(xiàn)，如果學生不參與數(shù)據(jù)處理和表達實驗結(jié)果的過程，不利于學生理解溶解熱的相關(guān)基本概念和測量原理，也不利于培養(yǎng)學生的實踐能力[2]。

圖1 Qs-n0圖

圖2 實驗裝置示意圖

作者設(shè)計了改進的實驗方案，設(shè)計編寫了測量軟件。新的測量軟件用微機采集和保存原始數(shù)據(jù)，然后提供由易到難的幾種數(shù)據(jù)處理方案，學生可根據(jù)自己的能力選擇，以激勵學生挑戰(zhàn)自我。

測量軟件采用常用的視窗界面，簡潔、易用。學生可通過菜單完成各項操作。菜單及功能見表1。

表1 軟件菜單及其功能

軟件的溶解測量界面如圖3所示。

圖3 軟件測量界面

測量軟件每秒記錄一次原始數(shù)據(jù)，包括時間、溫差、加熱電流、加熱電壓。在測量窗口顯示溫差值，并圖示溫差隨時間的變化，直觀地反映了在溶解過程中，吸熱使溫度下降，電加熱使溫度回升，即補償法量熱原理。在加熱過程中，加熱功率往往難以恒定，本軟件沒有采用時間乘以加熱功率計算熱量的簡單辦法，而是實時顯示加熱功率，根據(jù)每一時刻的功率計算熱量并累計，在測量窗口顯示加熱時間并顯示加熱熱量累計值。可以比較兩種計算熱量方法的差別，采用熱量累計的方法能避免加熱功率變化帶來的誤差。在溶解過程中，軟件逐步提示加入下一份溶質(zhì)，至全部溶解完成后，軟件將測量數(shù)據(jù)存盤保存。

溶解熱測量實驗的數(shù)據(jù)處理過程比較復雜，本軟件設(shè)計了由易到難的3種方案供學生選擇。學生可以選擇最容易的C方案，由本測量軟件自動處理數(shù)據(jù)、打印實驗結(jié)果(圖4,圖5)。也可以選擇難度較大的B方案，根據(jù)溶解每份硝酸鉀對應的熱量數(shù)據(jù)，學生自己做Qs-n0圖，求算特定點的切線斜率、切線截距等，并計算結(jié)果。還可以選擇難度更大的A方案，得到一個數(shù)據(jù)電子文件，包括每秒鐘的溫差、加熱電流、加熱電壓等數(shù)據(jù)，學生自己計算每份硝酸鉀對應的熱量，做Qs-n0圖，求算特定點的切線斜率、切線截距等，并計算實驗結(jié)果。

圖4 Qs-n0圖顯示

圖5 數(shù)據(jù)與結(jié)果顯示

學生選擇不同的數(shù)據(jù)處理方案，會得到不同的成績(選擇C方案，本次實驗成績最高可得70分(百分制)；選擇B方案，本次實驗成績最高可得90分；選擇A方案，本次實驗成績最高可得100分)。學生既可以選擇其中一種方案，也可以幾種方案全選，即先選擇難度最低的方案進行實驗，然后在課后練習用難度更大的方案處理數(shù)據(jù)，以此激勵學生挑戰(zhàn)自我。

利用本軟件進行溶解熱測量實驗，學生反映測量軟件界面友好易用，能夠直觀地了解溶解熱測量過程和基本原理。少部分學生只選擇C方案，選擇A方案并在課堂上當時完成的學生也比較少。大部分學生先選擇C方案，打印一份實驗結(jié)果，同時又選擇A方案，用U盤復制帶走實驗原始數(shù)據(jù)，課下練習用通用數(shù)據(jù)處理軟件Excel和Origin處理數(shù)據(jù)，最后按照A方案要求完成實驗報告。通過用微機采集和處理數(shù)據(jù)的實戰(zhàn)練習，可使學生體會到計算機在化學研究中的重要作用，提高了應用計算機技術(shù)的能力，并有助于激發(fā)他們進一步學習、探索的熱情。

[1] 鄭傳明,呂桂琴.物理化學實驗.北京:北京理工大學出版社,2005

[2] 鄭傳明,王良玉,勞捷.實驗技術(shù)與管理,2008,25(12):45